[发明专利]车间钢卷激光雷达三维定位测量系统

摘要

本方法涉及一种车间钢卷激光雷达三维定位测量系统。系统包括硬件和软件两部分。硬件部分是基于“二维激光雷达+激光测距仪+电机驱动”方案的数据采集系统；软件部分是三维重构和目标检测处理系统，包括基于坐标转换与切片重构的数据预处理及三维模型构建、梯度下降平滑的ROI区域选定、连通域聚类法目标分类定位和具有径向失真校正的钢卷长宽高测量及中心点标定方法。本方法利用二维激光雷达截面扫描辅以激光测距仪定位进行空间切片重构，有效完成了使用二维激光雷达的进行三维重建的任务；结合梯度下降平滑及连通域聚类法完成的目标定位分类算法提高了数据处理的时效性和准确性；提出地径向失真校正算法提高了目标长宽高测量和中心点定位精度。

主权项

1.一种车间钢卷激光雷达三维定位测量系统，所述系统包括硬件模块和软件模块：硬件模块是数据采集系统，其中包括：用标志物量块对相对坐标原点进行标定、用电机驱动测量设备进行匀速移动、用二维激光雷达采集实时切片截面扫描数据；用激光测距仪采集实时距离数据；软件模块是三维重构和目标检测处理系统，包括：基于坐标转换与切片重构的数据预处理及三维模型构建、梯度下降平滑的ROI区域选定和连通域聚类法目标分类、具有径向失真校正的钢卷长宽高测量及中心点标定方法；包括以下步骤：A.基于“二维激光雷达+激光测距仪+电机驱动”的数据采集方案：将二维激光雷达与激光测距仪组装成整套测量设备，要求激光测距仪用于测距的脉冲激光束垂直于二维激光雷达的扫描截面；将电机与该设备固定，使之能在高空直线轨道上匀速移动；将已知尺寸的量块作为相对坐标原点，放置于轨道起始一侧的地面上；被测钢卷放置于设备可测量范围内；实时获取二维激光雷达切片截面数据A_t(ρ，θ)以及激光测距仪电压数据V_t：先将每一组极坐标系数据A_t(ρ，θ)转为垂直坐标系数据B_t(X，Y)：X＝ρ·cos(θ‑Δθ)  (1)Y＝ρ·sin(θ‑Δθ)  (2)其中Δθ为校正角度，用于保证二维激光雷达扫描中心激光射线垂直于地面；初始化Δθ获取方法为：在无目标物体及障碍情况下，使用测量设备获取n次水平地面数据A₁(ρ，θ)，A₂(ρ，θ)，……，A_n(ρ，θ)，找到每组数据中ρ_min所对应的θ_center，则将激光测距仪电压数据V_t转为距离数据Z_t其中Z_s、V_s为轨道起始点Z轴向位置和对应电压值，Z_e为轨道终止点位置；将B_t(X，Y)与Z_t组成三维切片数组C_t＝{(x₁(t)，y₁(t)，z₁(t))，……，(x_n(t)，y_n(t)，z_n(t))}，以时间T为行索引得到I行J列的三维数组矩阵B.对目标高度信息的分量M_Y，使用迭代法确定Y_threshold作为阈值进行分割获得ROI区域M_mask，定义损失函数L如下：L＝(H_object+H_back)/2‑Y_threshold  (5)其中H_object为所有小于Y_threshold的M_Y的均值，H_back为所有大于等于Y_threshold的M_Y的均值；使用梯度下降法迭代求解L最小值，其对应(5)式中Y_threshold即为最佳阈值；使用Y_threshold对M_Y进行1，0二值化获得M_mask；最后，利用矩形结构元素，对M_mask进行形态开运算，去除边缘孤立点和噪声；C.使用8邻域连通域标记法M_mask进行目标标定，方法如下：(1)若M_mask(i‑1，j‑1)或M_mask(i‑1，j)为1，则M_mask(i，j)标号同M_mask(i‑1，j‑1)一致，即为K；(2)若M_mask(i‑1，j)为0，M_mask(i，j‑1)为1，则M_mask(i，j)标号为K；(3)若M_mask(i‑1，j)和M_mask(i，j‑1)均为1，则M_mask(i，j)标号为K；(4)当M_mask(i‑1，j‑1)及M_mask(i，j‑1)都为0时，若此时M_mask(i+1，j+1)为0，则M_mask(i，j)标号为K＝K+1，算作新连通域；若M_mask(i+1，j+1)为1，则M_mask(i，j)同M_mask(i+1，j+1)标号相同；遍历矩阵M_mask，获得存有各个元素标记的矩阵M_Label；D.二维雷达线性扫描带来的径向失真问题解决算法如下：(1)遍历标号K集合，分别对M_Label(K)取凸包的最小外接矩形，计算其左上顶点坐标(BBx(K)，BBy(K))、外接距长宽(BBh(K)，BBw(K))以及中心点坐标(BB1(K)，BB2(K))；(2)计算标号为k的目标，所在区域相对地面高度G(k)和目标中央高度H(k)其中m、n为预设值，大小由被测目标尺寸和雷达安置高度决定；(3)当BB2(K)＜2/J时M_Label(BB1(K)，BB2(K)‑BBw(K)/2+1)不等于K，或BB2(K)＞2/J时M_Label(BB1(K)，BB2(K)+BBw(K)/2‑1)不等于K，判定为检测到钢卷切面，进行第(4)步；否则进行第(5)步；(4)在M_Label第BB1(K)行步进，将第一个K所在列记为a，最后一个K所在列记为b，取BB2(K)＝(a+b)/2；(5)计算目标中心点O_K(p_X，p_Y，p_Z)：其中res为二维激光雷达扫描角度分辨率，是预先设定好的参数；E.计算目标长宽高尺寸O_K(X，Y，Z)：O_K(Y)＝O_K(p_Y)  (13)O_K(X)＝2·O_K(Y)(tan(θ_K)‑tan(φ_K))  (14)O_K(Z)＝|M_Z(BBx(K)‑BBh(K)，BB2(K))‑M_Z(BBx(K)，BB2(K))|  (15)φ_K为目标K距离二维雷达近端点角度，即由此检测场景中所含钢卷的长宽高O_K(X，Y，Z)以及它的绝对坐标O_K(p_X，p_Y，p_Z)；如需使用量块自定义相对坐标系原点，可根据已知量块高度Y_GageBlock使用[Y_GageBlock‑2，Y_GageBlock+2]作为阈值区间进行步骤B生成M_mask，再依次进行步骤C、D、E，求得量块的绝对坐标O_K(p_X，p_Y，p_Z)，则钢卷与量块的绝对坐标之差为钢卷的相对坐标。